Austragverhalten von Schüttgütern aus einem Silo Teil 2: Ergebnisse der Experimente

4    Versuchsergebnisse
Nachfolgend sind die Versuchsergebnisse für die Versuchsreihen 1 und 4 aufgeführt (Tabelle 1; Teil 1). Eine vollständige Auswertung kann [18] entnommen werden.

4.1 Fließprofile
Die Kenntnis von Fließprofilen ist für die Deutung und Interpretation der in Silos auftretenden Spannungen von großer Bedeutung. Der Zusammenhang zwischen den Fließprofilen und den entsprechenden Spannungen ist von Massenfluss- und Kernflusssilos her bekannt [6]. Bei den Versuchen zur Ermittlung der Fließprofile wurde das oben beschriebene Versuchssilo zunächst bis zur definierten Markierung gleichmäßig gefüllt. Im nächsten Schritt wurde der durch die mittige Befüllung entstandene, abgeböschte Schüttgutspiegel eingeebnet und mit einer Schüttgutschicht von schwarzen Kunststoffpellets bedeckt (Bild 10a). Diese Vorgehensweise zur Aufnahme von Fließprofilen wird in der Literatur, teilweise in abgewandelter Form, häufig zur Beobachtung von Entleerungsvorgängen eingesetzt [19, 21, 22]. Anschließend erfolgten der Schüttgutabzug und die direkte Rückführung des abgezogenen Schüttguts oben in das Versuchssilo. Um eine Beeinflussung der Fließprofile durch den abgeböschten Schüttgutspiegel ausschließen zu können, wurde der Schüttgutspiegel permanent eingeebnet (Bild 10b). Bild 11 zeigt das grafisch aufbereitete Fließprofil, welches sich bei der Versuchsreihe 1 einstellt. Die eingesetzten Schneckengeometrien haben eine konstante Steigung und führen, über die Einzugslänge betrachtet, nicht zu einer gleichmäßigen Abzugsrate. Erwartungsgemäß erfolgt der Abzug vornehmlich aus dem hinteren Bereich. Dies bestätigt die Vermutung, dass sich im hinteren Bereich der Schnecken jeweils die erste Flügelsteigung mit Schüttgut füllt und über die weitere Einzugslänge im Wesentlichen kein weiteres Schüttgut mehr abgezogen wird. Damit ergibt sich im vorderen Silobereich eine tote Zone, die nur unwesentlich in Bewegung kommt. Es stellt sich Kernfluss ein. Die Fließprofile für die Schneckengeometrie S2 (Bild 8; Teil 1), also mit abgestufter Progression, sind in den Versuchsreihen 4 und 5 ermittelt worden. Bild 12 zeigt das Fließprofil, welches sich bei der Versuchsreihe 4 einstellt. Die eingesetzten Schneckengeometrien verfügen über die gesamte Einzugslänge über eine abgestufte, gleichmäßige Abzugsrate. Dementsprechend erfolgt der Abzug gleichmäßig über die gesamte Abzugslänge. Im Gegensatz zum Fließprofil der Versuchsreihe 1 (Bild 11) bildet sich keine tote Zone, sondern der Schüttgutfluss erstreckt sich über den gesamten Siloquerschnitt. Während bei dem Fließprofil der Versuchsreihe 1 deutliche Unterschiede in der Bewegung zwischen Vorder- und Rückwand auftreten, gilt dies für die Versuchsreihe 4 nicht. Das Schüttgut sinkt an Vorder- und Rückwand nahezu identisch ab. Auch über die Silobreite erfolgt der Schüttgutabzug gleichmäßig. Es stellt sich Massenfluss ein.
 
4.2 Wandnormalspannungen
Die in diesem Abschnitt beschriebenen Untersuchungen wurden beim Entleerungsvorgang aus dem Versuchssilo durchgeführt. Die Messungen erfolgten im stationären Entleerungszustand, das heißt, das ausgetragene Schüttgut wurde im Kreislauf direkt oben wieder in das Versuchssilo gefördert. Auf diese Weise wurde der Füllstand im Silo auf konstanter Höhe gehalten. Um eine Beeinflussung des abgeböschten Schüttgutspiegels ausschließen zu können, wurde der Schüttgutspiegel permanent eingeebnet. Als stationärer Entleerungszustand wird nachfolgend der Zustand definiert, bei welchem sich die gemessenen Wandnormalspannungen nicht mehr wesentlich ändern. Nach den ersten Versuchsreihen zeigte sich, dass die Variation der Schneckendrehzahl keinen wesentlichen Einfluss auf die gemessenen Wandnormalspannungen hatte. Daher wurden die weiteren Untersuchungen mit einer konstanten Drehzahl durchgeführt. Erwartungsgemäß konnte jedoch ein Einfluss der Schneckengeometrien und Schneckenpaarung beobachtet werden. Die Versuche wurden jeweils beendet, wenn die gemessenen Wandnormalspannungen sich zeitlich nicht mehr weiter veränderten.
 
In Bild 13 sind die gemessenen Wandnormalspannungen im stationären Entleerungszustand für die Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung (Versuchsreihe 1) dargestellt. In Anlehnung an Bild 7 ist die Vorderwand die Stirnseite, an der das Schüttgut ausgetragen wird. Rechts ist die Rückwand des Versuchssilos dargestellt. Die Wandnormalspannungen an den beiden Seitenwänden sind ebenfalls dargestellt. Dabei sind die Radien der Kreise proportional zu den Spannungen. Die Mittelpunkte der Kreise zeigen jeweils die Positionen der Spannungsmesszellen an. Die Spannungsverteilung lässt sich mithilfe der beobachteten Fließprofile (siehe Abschnitt 4.1) für die Versuchsreihe 1 nachvollziehen. Wie bereits in Abschnitt 4.1 dargestellt, ergab sich für die Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung ein ungleichmäßiger Schüttgutabzug. Das Fließprofil für die Versuchsreihe  1 in Bild 11 belegt den ungleichmäßigen Schüttgutabzug: Durch den konvergenten Schüttgutfluss im hinteren Silobereich bildet sich dort ein quasi radiales Spannungsfeld aus. Das bewegte Schüttgut stützt sich auf dem ruhenden Schüttgut ab; dadurch wird das ruhende Schüttgut zusätzlich belastet. Folglich bilden sich im Bereich toter Zonen größere Wandnormalspannungen aus als im Bereich der bewegten Zonen [5, 8]. Dieser Zusammenhang spiegelt sich in den Wandnormalspannungen wider. Da der Schüttgutabzug ausschließlich von hinten erfolgt, bilden sich an der Rückwand und an dem hinteren Bereich der beiden Seitenwände sehr kleine Spannungen aus. In Förderrichtung steigen die Wandnormalspannungen stark an. Die größten Spannungen treten im unteren Bereich an der Vorderwand auf. Zum einen wird dies durch die ausgebildeten toten Zonen hervorgerufen, in denen die Spannungen immer größer sind als in bewegten Bereichen. Ein zweiter Effekt jedoch wird durch die Abzugschnecken hervorgerufen: Aufgrund des Kräftegleichgewichtes werden durch die Schneckenrotation in Förderrichtung wirkende Schubspannungen auf das über den Schnecken befindliche Schüttgut übertragen. Dadurch steigen in Förderrichtung die Wandnormalspannungen zunehmend an. Die Scherkräfte bilden sich entsprechend dem Förderwinkel aus, welcher sich durch die Flügelsteigung ergibt.
 
In Bild 14 sind die gemessenen Wandnormalspannungen im stationären Entleerungszustand für die Abzugschnecken mit progressiver Flügelsteigung (Versuchsreihe 4) wiedergegeben. Wie bereits bei den Versuchsreihen im vorhergehenden Abschnitt beschrieben, lässt sich auch bei den Versuchsreihen mit Abzugschnecken mit progressiver Flügelsteigung die Spannungsverteilung unter Zuhilfenahme der beobachteten Fließprofile (Bild 12) erklären. Dem Fließprofil kann man entnehmen, dass der Schüttgutabzug gleichmäßig über die gesamte Silolänge erfolgt. Dies erklärt die gleichmäßigere Spannungsverteilung im gesamten Silo. Besonders deutlich wird dies an den Seitenwänden in Bild 14. Insbesondere in den oberen beiden Messebenen liegen die gemessenen Wandnormalspannungen in derselben Größenordnung.
 
Was nicht mit den Fließprofilen erklärt werden kann, sind die wesentlich höheren Wandnormalspannungen an der Vorderwand und den vorderen Ecken der beiden Seitenwände (Bild 14). Obwohl sich keine toten Zonen bilden, treten in Förderrichtung zunehmend höhere Wandnormalspannungen als im hinteren Silobereich auf. Dieser Zusammenhang lässt sich mit den durch die Schneckenrotation in Förderrichtung wirkenden Schubspannungen erklären. Aufgrund des Kräftegleichgewichtes werden durch die Schneckenrotation in Förderrichtung wirkende Schubspannungen auf das über den Schnecken befindliche Schüttgut übertragen. Dadurch steigen in Förderrichtung die Wandnormalspannungen zunehmend an. Die Scherkräfte bilden sich entsprechend dem Förderwinkel aus, welcher sich durch die Flügelsteigung ergibt. Nachfolgend ist die dimensionslose Wandnormalspannung S in Abhängigkeit vom Abstand zur Vorderwand aufgetragen. Dabei wird nur die unterste Messzellenebene betrachtet. Die dimensionslose Normalspannung S ist wie folgt definiert:
 
S =  w(1)
       f
mit:
w    =    Wandnormalspannung im stationären Entleerungszustand
f    =    Wandnormalspannung im Füllzustand
 
In Bild 15 sind die dimensionslosen Wandnormalspannungen der Versuchsreihen 1 und 4 gegenübergestellt. Die horizontale Gerade, die die Ordinate bei dem Wert 1 schneidet, entspricht dem Füllzustand. Die Werte bei den Abständen 0 mm bzw. 1500 mm entsprechen den Wandnormalspannungen an der Vorder- bzw. Rückwand. Durch den Bezug der Spannungswerte auf den Füllzustand geht aus Bild 15 anschaulich hervor, dass das Schüttgut von hinten abgezogen wird. Bei der Versuchsreihe 1, d.  h. Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung, sinken die Wandnormalspannungen auf Werte ab, welche etwa 50  % unterhalb der Wandnormalspannungen im Füllzustand liegen. Mit abnehmendem Abstand zur Vorderwand nehmen die Wandnormalspannungen wieder zu und erreichen an den beiden Seitenwänden schließlich das ca. 2,5-fache der Spannungen im Füllzustand. An der Vorderwand liegen die Wandnormalspannungen im stationären Entleerungszustand sogar bei dem 3,25-fachen.
 
Für die Versuchsreihe 4 verläuft die dimensionslose Wandnormalspannung grundsätzlich ähnlich. Abweichend fällt jedoch auf, dass der Spannungsverlauf von hinten nach vorne flacher ist: Im hinteren Silobereich sinken die Spannungen nicht so stark ab wie bei der Versuchsreihe 1. Vielmehr verbleibt die Wandnormalspannung im stationären Entleerungszustand nahezu in der Größenordnung der Spannung im Füllzustand. Wie bereits erläutert, ist dies darauf zurückzuführen, dass sich bei den Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung im hinteren Silobereich quasi ein radiales Spannungsfeld einstellt (passiver Spannungszustand). Bei den Abzugschnecken mit progressiver Flügelsteigung wird das Schüttgut über die gesamte Silolänge abgezogen. Es stellt sich kein passiver Spannungszustand ein, sondern der aktive Spannungszustand bleibt auch während des Schüttgutabzuges erhalten.
 
4.3 Drehmomentcharakteristik
Bei der Dimensionierung von Siloaustragsystemen ist neben der Berücksichtigung der verfahrenstechnischen Aspekte die Bestimmung der Größe des Antriebes das wichtigste Kriterium. Bei der Auswahl des Antriebes sind die Drehzahl und das Drehmoment die bestimmenden Kenngrößen. Während sich die Drehzahl aus den verfahrenstechnischen Erfordernissen ergibt, ist das erforderliche Drehmoment eine anlagen- und schüttgutspezifische Kenngröße. Sämtliche aufgezeichnete Drehmomentverläufe weisen grundsätzlich die gleichen Merkmale auf: Das auftretende Drehmoment steigt nach dem Einschalten der Abzugschnecke direkt auf einen Maximalwert an und fällt dann sofort auf einen tiefer liegenden, stationären Wert wieder ab. Während der restlichen Versuchsdauer verbleibt das Drehmoment praktisch auf diesem stationären Wert (Bilder 16, 17). Die anfängliche Drehmomentspitze wird als Anfahrdrehmoment bezeichnet und kennzeichnet den Peak beim Anfahren oder Einschalten. Üblicherweise wird das Anfahrdrehmoment als Vielfaches vom anschließenden, idealerweise konstanten Drehmoment angegeben:
 
A/M =  MAnfahr(2)
            MMittel
Das Phänomen des Anfahrdrehmomentes wurde auch von Schumacher [23] und Bortolamasi und Fottner [24] beobachtet. Die Ursache liegt, wie von Schwedes und Schulze [6] erläutert, im Wesentlichen im Umschlag vom aktiven in den passiven Spannungszustand begründet, welcher beim ersten Anfahren nach dem Befüllen auftritt. Wie in [13] für einen Silo mit Trichter erläutert, liegen nach dem Befüllen eines Silos die größten Vertikalspannungen v vor. Nach Beginn des Entleerens schlägt der vorliegende aktive Spannungszustand in den passiven Spannungszustand um und die Vertikalspannung im Auslaufquerschnitt fällt schlagartig ab. Entsprechend sinkt die Abzugskraft Fh für das Austragorgan, die zunächst die große Vertikalspannung nach dem Füllen überwinden muss, schlagartig ab. Die Anfahrspitze kann bis zum 10-fachen des stationären Wertes betragen [5, 6]. Dieser Umschlag ist durch den Übergang vom aktiven in das passive Spannungsfeld bedingt und tritt somit immer bei Silos mit trichterförmigem Unterteil auf. Zwar ist bei dem verwendeten rechteckigen Versuchssilo grundsätzlich kein Trichter vorhanden. Wie jedoch oben erläutert, ergibt sich bei den Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung ein konvergenter Schüttgutfluss im hinteren Silobereich, sodass sich dort ein schüttgutbedingter Trichter einstellt. Damit ist auch bei den Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung (Versuchsreihen 1 bis 3) das gegenüber dem stationären Betrieb erhöhte Anfahrdrehmoment zu erklären. Der Drehmomentkurve ist eine Schwingung überlagert (Bild 16), die durch die hohe Messrate bedingt ist. Diese überlagerte Oberschwingung resultiert aus der Drehung der ­Abzugschnecke. Versuche mit unterschiedlichen Drehzahlen belegen, dass die Frequenz direkt proportional zur Schneckendrehzahl ist.

In Bild 16 ist der Drehmomentverlauf für die Versuchsreihe 1 dargestellt, das heißt wenn beide Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung zur Mitte drehen. Man kann deutlich die kurzzeitige Drehmomentspitze nach dem Anfahren und den anschließenden Drehmomentabfall auf einen stationären Wert erkennen. Bezieht man das Anfahrdrehmoment auf das mittlere, stationäre Drehmoment, so erhält man für die rechte Abzugschnecke das 1,83-fache vom stationären Drehmoment und für die linke Abzugschnecke das 1,85-fache. Bezieht man das stationäre Drehmoment auf das Anfahrdrehmoment, so ergeben sich für die stationären Drehmomente der beiden Abzug­schnecken Werte von 55  % bzw. 54  %.

In Bild 17 sind die Drehmomentverläufe für die Versuchsreihe 4, Abzugschnecken mit progressiver Flügelsteigung, dargestellt. Beide Abzugschnecken drehen zur Mitte. Auch hier sind Drehmomentspitzen zu Beginn und ein anschließender Abfall auf stationäre Drehmomente festzustellen. Diese Drehmomentspitzen sind, adäquat zu den oben aufgeführten Erläuterungen für die Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung, auf den anfänglichen Umschlag vom aktiven in den passiven Spannungszustand zurückzuführen. Die ebenfalls auftretenden Oberschwingungen, verursacht durch die Rotation der Abzugschnecken, weisen jeweils relativ große Amplituden auf und verlaufen, wie auch bei der Versuchsreihe 1, phasengleich. Die relativ großen Amplituden sind auf die vertikale Schüttgutbewegung in die Abzugschnecken über die gesamte Silolänge zurückzuführen. Die symmetrische Belastung beider Abzugschnecken führt zu nahezu identischen Werten. Das Anfahrdrehmoment der rechten Abzugschnecke beträgt das 2,36-fache und das der linken Abzugschnecke das 2,29-fache vom jeweiligen stationären Drehmoment. Bezieht man das stationäre Drehmoment auf das Anfahrdrehmoment, so ergeben sich für die stationären Drehmomente der beiden Abzugschnecken Werte von 42,4  % bzw. 43,6  %.
 
Ein Vergleich der Drehmomentverläufe in den Bildern 16 und 17 führt zu folgenden Schlussfolgerungen:
 
–    Liegt Kernfluss vor (Versuchsreihe 1), sind die stationären Drehmomente größer als bei Massenfluss (Versuchsreihe 4)
–    Die größeren Amplituden der Oberschwingungen bei Massenfluss sind darauf zurückzuführen, dass das Abscheren im Bereich der Schneckenflügel/Austrittskante größeren Schwankungen unterliegt, wenn in diesem Bereich Schüttgut von oben nachfließt
–    Die Unterschiede zwischen Massenfluss und Kernfluss werden größer ausfallen, wenn das Silo aus vertikalem Schaft und Trichter besteht und/oder wenn die Eingriffslänge der Schnecken größer ist [18]
 
5    Fazit
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen an einem rechteckigen Silo durchgeführt. Im Vordergrund standen die Spannungszustände beim Entleeren mittels zweier Siloabzugschnecken sowie die Zusammenhänge zwischen den Wandnormalspannungen, den Fließprofilen und den erforderlichen Drehmomenten für die Abzugschnecken. Am Versuchssilo wurden Versuchsreihen mit verschiedenen Abzugschnecken durchgeführt. Es wurden Abzugschnecken ohne und mit Progression in Förderrichtung eingesetzt, wobei die Progression durch die Veränderung der Flügelsteigung bewirkt wurde. Des Weiteren wurde in den Versuchsreihen die Drehrichtung der Abzugschnecken variiert. Zum einen drehten die Abzugschnecken beide zur Mitte hin, zum anderen drehten beide Abzugschnecken nach außen. Zusätzlich wurde mit den Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung eine Versuchsreihe mit gleichsinnig drehenden Abzugschnecken durchgeführt. Bei der Ermittlung der Fließprofile konnte festgestellt werden, dass bei den Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung das Schüttgut erwartungsgemäß nahezu ausschließlich von hinten abgezogen wird. Der zu beobachtende konvergente Schüttgutfluss im hinteren Silobereich entspricht dabei dem klassischen Kernflussprofil und ist unabhängig vom Drehsinn der Abzugschnecken. Der Drehsinn der Abzugschnecken wirkt sich erst im unteren Silobereich aus. Bei den Abzugschnecken mit progressiver Flügelsteigung erfolgt der Schüttgutabzug über die gesamte Silolänge, womit Massenfluss gewährleistet ist.
 
Übereinstimmend mit den ermittelten Fließprofilen konnte für die auftretenden Wandnormalspannungen festgestellt werden, dass in bewegten Zonen die Wandnormalspannungen niedriger ausfallen als in ruhenden Zonen. Für die Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung, bei denen der Schüttgutabzug hauptsächlich im hinteren Bereich des Silos erfolgt, ist dies mit dem sich dort ausbildenden radialen Spannungsfeld zu erklären. Das bewegte Schüttgut stützt sich auf dem ruhenden Schüttgut ab und belastet somit dort das ruhende Schüttgut zusätzlich. Für alle Versuchsreihen konnten in Förderrichtung steigende Wandnormalspannungen beobachtet werden. Durch die Schneckenrotation werden in Förderrichtung wirkende Schubspannungen auf das über den Schnecken befindliche Schüttgut übertragen. Dadurch steigen, in Förderrichtung zunehmend, die Wandnormalspannungen an. Die dabei am Außenumfang der Abzugschnecken wirkenden Scherkräfte bilden sich entsprechend dem Förderwinkel (bestimmt durch die Flügel­-
steigung) aus. Folglich beeinflusst die Drehrichtung der Abzugschnecken die Spannungsverteilung im vorderen Silobereich.
 
Die Messungen der Wandnormalspannungen am Versuchssilo erlauben qualitative und quantitative Aussagen über die Spannungserhöhungen im Versuchssilo, die durch den Abzug über die beiden Abzugschnecken bedingt wird. Für andere Silo­geometrien sind in [18] die zu erwartenden Spannungsveränderungen durch den Abzug qualitativ aufgezeigt. Bei der Ermittlung der Drehmomente konnte aufgezeigt werden, dass die Abzugschnecken mit konstanter Flügelsteigung, die Kernfluss verursachen, grundsätzlich ein höheres Drehmoment benötigen als die Abzugschnecken mit progressiver Flügelsteigung, die zu Massenfluss führen. Weiterhin konnte bei allen Abzugschnecken eine Abhängigkeit von der Drehrichtung festgestellt werden. Die zur Mitte drehenden Abzugschnecken erfordern höhere Drehmomente als die nach außen drehenden Abzugschnecken.
 
Weitere Untersuchungen mit anderen Schüttgütern wurden bereits durchgeführt. Dabei wurden insbesondere schwer ­fließende Schüttgüter wie beispielsweise unterschiedlich aufbereitete Sekundärbrennstoffe und Klärschlämme untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse und Zusammenhänge ermöglichen eine zuverlässigere Übertragung auf Industrieanlagen.